冀北不同建筑類型奶牛舍夏季環境質量研究

周英昊，武震鋼，毛森，王亞男，馮曼，張彤，于濱，許翊冉，徐強，邱殿銳*

(1.承德市農林科學院，河北 承德 067000；2.隆化縣農業農村局，河北 隆化 068150)

河北省地處黃金奶源帶，區位優勢明顯，生鮮乳和乳制品生產加產業基礎雄厚，近年來逐漸形成了石家莊、張家口、唐山、保定四大奶業優勢區[1]。河北省北部寒區的張家口、承德地區，冬季嚴寒，夏季涼爽，晝夜溫差大，多年來該地區奶牛舍設計主要圍繞冬季的防寒保溫，以全封閉有窗舍和半開放舍為主[2]，但奶牛本身耐寒怕熱，熱應激對奶牛的影響不容忽視。本研究通過測定河北省北部寒區3種建筑類型奶牛舍夏季舍內外溫熱因素(溫度、相對濕度)及其他環境質量狀況評價指標(風速、空氣中PM2.5、PM10、細菌、CO2、NH3含量、光照、噪音強度)，為該地區奶牛舍設計改造及環境狀況的改善提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗牛舍

選擇位于河北省北部寒區承德和張家口地區的3個牧場為試驗場，每個牧場選擇1棟泌乳牛舍，分別編號為舍1、舍2、舍3，各試驗舍建筑特點見表1。各試驗舍飼養管理要點相近，飼養奶牛品種均為荷斯坦奶牛；臥床墊料均為沙子；每天早上、中午、晚上均各擠奶1次，擠奶期間，均用鏟車清糞，TMR日糧攪拌車上料，奶牛自由采食、飲水。試驗期內，各舍所有門窗(包括天窗)開啟；舍1在溫度超過25 ℃及試驗測量時開啟風機。各舍于每日18:00開燈，舍1和舍3每日24:00關燈；舍B次日早6:00關燈。

表1 試驗牛舍的建筑特點

1.2 試驗儀器

連續溫濕度數據記錄儀(型號為DT-172)、塵埃計數器(型號為DT-9881M)，購自深圳市華盛昌科技實業股份有限公司；手持式熱式風速儀(型號為Model6006-2c)，購自上海邁哲電子科技有限公司；手持式氨氣檢測儀(型號為 AP-S-NH3)、手持式二氧化碳檢測儀(型號為 AP-S-CO2)，購自深圳安帕爾科技有限公司；數字式噪音計(型號為TES-1350A)、照度計(型號為TES-1339)，購自上海雙旭電子有限公司。

1.3 試驗方法

根據天氣預報選擇夏季10 d穩定天氣條件，各牛舍同步試驗，具體試驗日期為2019年7月24日至8月3日。

1.3.1 溫熱因素的測定

在試驗舍內中央位置，于北臥、南臥、料道各選擇一個承重柱，分別綁定1個連續溫濕度數據記錄儀、試驗舍東西兩側外墻，各固定1個連續溫濕度數據記錄儀，高度均為距地面1.8 m，因該溫濕度計具有良好的防水性能，未進行特殊防水處理。該溫濕度計每0.5 h自動記錄1次溫濕度數據，試驗結束時導出全部數據。每日24 h數據均值記為同一測量點當日溫濕度，并按照以下公式計算溫濕指數(THI)。

計算公式：THI=(1.8×T+32)-(0.55-0.005 5×H)×(1.8×T-26.8)[3]。式中，T為環境溫度(℃)；H為相對濕度(%)。

1.3.2 環境質量評價指標測定

每日早上(07:00～09:00)、中午(12:00～14:00)和晚上(19:00～21:00)測定各試驗舍內外空氣中PM2.5、PM10、NH3、CO2、細菌含量及風速、光照強度、噪音強度，舍內北臥、采食通道、南臥自西向東均勻布3個檢測點，共9個檢測點。舍外凈道自南向北設3個檢測點，檢測高度均為距地面1.5 m。各指標在同一個檢測點相同測量時段連續測定3次，取平均值。空氣中細菌菌落總數采用自然沉降法測定[4]。試驗期間，早上、中午測定自然光照強度，晚上舍內開燈后測定人工光照強度。

1.4 數據分析

利用Excel 2007整理10 d的試驗數據，計算各試驗指標的日平均值，選取其中天氣晴朗無風、氣溫穩定的7 d數據，用SPSS17.0進行單因素ANOVA方差分析，用Duncan’s法進行多重比較，以P>0.05為差異不顯著，P<0.05為差異顯著，數據用平均值±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 試驗舍內外溫熱環境

2.1.1 試驗舍內外環境溫度的晝夜連續變化

夏季試驗牛舍內外溫度的日變化規律基本一致，均表現為中午高、早晚低的規律。各舍外溫度的晝夜變化范圍分別為13.3 ℃～33.8 ℃(舍1外)、13.4 ℃～34.4 ℃(舍2外)、13.1 ℃～33.6 ℃(舍3外)，各舍內溫度的晝夜變化范圍分別為17.6 ℃～26.2 ℃(舍1)、18.7 ℃～25.8 ℃(舍2)、18.4 ℃～25.5 ℃(舍3)。試驗期內，各舍內日平均溫度、舍外日平均溫度均無顯著差異(P>0.05)。結果如圖1和表2所示。

圖1 夏季試驗牛舍內外環境溫度的晝夜連續變化

2.1.2 試驗舍內外環境相對濕度的晝夜連續變化

夏季試驗牛舍內外相對濕度的日變化規律基本一致，均表現為中午低、早晚高的規律。舍外相對濕度的晝夜變化范圍分別為35.2%～94.6%(舍1外)、40.3%～95.2%(舍2外)、39.0%～94.9%(舍3外)，各舍外日平均濕度無顯著差異(P>0.05)；舍內相對濕度的晝夜變化范圍分別為41.6%～86.2%(舍1)、69.2%～93.0%(舍2)、63.2%～82.0%(舍3)，舍內日平均濕度舍2>舍3>舍1(P<0.05)；舍1和舍3每日約3:00～7：00相對濕度超過80%，舍2僅在10:00～19:00相對濕度低于80%，其中舍1日平均濕度及晝夜變化曲線更接近舍外。結果如圖2和表2所示。

圖2 夏季試驗牛舍內外環境相對濕度的晝夜連續變化

2.1.3 試驗舍內外環境THI的晝夜連續變化

夏季試驗牛舍內外THI的日變化趨勢基本一致。舍外THI晝夜變化范圍為56.0～81.5(舍1外)、56.2～82.8(舍2外)、56.4～82.7(舍3外)，各舍外日平均THI無顯著差異(P>0.05)；舍內THI晝夜變化范圍為63.3～73.0(舍1)、65.6～75.5(舍2)、63.3～74.0(舍3)，各舍內日平均THI為舍B最高(P<0.05)，舍1和舍3之間差異不顯著(P>0.05)。從變化曲線也能看出，各舍外THI約7:00～19:00在72以上；舍1、舍2、舍3的THI分別在11:00～16:00、9:00～19:00、11:00～18:00超過72。結果如圖3和表2所示。

圖3 夏季試驗牛舍內外環境THI的晝夜連續變化

表2 夏季試驗牛舍內外溫熱環境

上述結果表明：試驗期內，各舍外溫度、相對濕度、THI狀況相當。各舍內溫度日變化狀況相近，舍1日平均濕度最低，每日高濕(相對濕度>80%)、高THI(THI>72)持續時間最短，溫熱環境狀況最優。舍2日平均濕度、日平均THI最高，每日高濕、高THI持續時間最長，溫熱環境狀況最差。舍3日平均濕度較高，每日高濕、高THI持續時間、日平均THI與舍1接近，溫熱環境狀況居中。

2.2 試驗舍內外環境質量狀況

試驗期內，各試驗舍外環境質量狀況相當，各舍外風速、空氣PM2.5、PM10、CO2、細菌含量、噪音強度相互之間差異均不顯著(P>0.05)；舍外僅NH3含量存在一定差異，為舍1<舍3<舍2(P<0.05)。各試驗舍內環境質量狀況存在很大差異，舍內風速舍1>舍3>舍2(P<0.05)；PM2.5、CO2含量、自然光照強度均為舍2最高(P<0.05)，舍1和舍3之間差異不顯著(P>0.05)；PM10、NH3、細菌含量均為舍2>舍3>舍1(P<0.05)；噪音強度舍1最高(P<0.05)，舍2和舍3之間差異不顯著(P>0.05)；人工光照強度舍3最低(P<0.05)，舍1和舍2之間差異不顯著(P>0.05)。結果見表3。

表3 夏季試驗牛舍內外環境質量狀況

綜合各試驗指標，舍1內風速最高，PM2.5、PM10、NH3、CO2、細菌含量在各試驗舍中最低或相對較低，舍內環境質量狀況最優，但該舍噪音較大；舍2風速最低，PM2.5、PM10、NH3、CO2、細菌含量在試驗舍中均為最高，環境質量狀況最差，但該舍采光最好；舍3環境質量狀況居中，夜間存在照明不足的問題。

3 討論

3.1 試驗舍內外溫熱環境評價

溫度是影響家畜健康及生產性能的首要溫熱因素，牛體產熱、太陽輻射、牛舍通風換氣、降溫保溫設備等綜合決定了牛舍溫度。本研究中，各試驗舍外環境溫度晝夜連續變化曲線基本重合，各舍外最高溫度之間、最低溫度之間相差均在1℃以內，平均溫度之間無顯著差異，說明各舍外界環境溫度狀況基本一致。本研究發現，各舍在通風結構、通風設備上存在較大差異，但6:00～17:00溫度變化趨勢基本一致，說明白天舍內溫度可能受建筑結構及風機影響較小。舍A在采食通道及臥床上方共安裝30臺風機，但僅靠風機降溫效果并不明顯。舍3在6:00～13:00溫度較舍1和舍2低且升高慢，該舍屋頂材料為酚醛泡沫夾心彩鋼板，其具有均勻的閉孔結構，導熱系數低，絕熱性可能優于舍1和舍2的聚苯乙烯泡沫夾心彩鋼板，對白天舍內溫度變化產生一定影響。此外，白天相同時間段各舍內溫度均低于舍外，舍內外最高溫差可在8 ℃以上，各舍內均沒有空調、噴淋等降溫設備，舍內外溫差可能與屋頂保溫隔熱以及牛舍建筑結構有關，需進一步研究確定。劉海林等[5]研究發現，噴淋+風扇的降溫措施可使奶牛日產奶量和4%標準乳分別提高2.66 kg/d和2.81 kg/d。該地區牛場可結合自身實際，合理安裝風、噴淋、空調等降溫系統，配合使用。

本研究還發現，夜間舍內溫度可能受建筑結構和屋頂材料影響較大。舍1通風結構較多，開敞面積相對較大，夜間冷空氣更易進入舍內，17:00～次日6:00溫度均低于其他舍。舍2通風結構最少，窗地面積比很低，封閉性較高，因此舍內夜間溫度較高。舍3封閉性不如舍2，但二者夜間溫度接近，進一步說明酚醛泡沫板絕熱性能好，能減少熱量損失。

牛舍的空氣濕度主要來自于牛的呼吸、糞尿、潮濕地面及墊料等[6]。本研究中，各試驗舍外環境相對濕度晝夜連續變化曲線基本重合，平均濕度之間無顯著差異，說明各舍外界環境濕度狀況基本一致。本研究發現，各舍奶牛飼養密度相近，臥床墊料均為沙子，糞尿溝均設在臥欄和清糞通道之間，溝寬、溝深、坡度無明顯區別，但牛舍濕度變化規律差異較大，說明夏季牛舍內濕度可能受牛舍通風結構及設備影響明顯。舍2窗戶數量少(僅南側8扇，北側6扇)、窗戶尺寸小(1.5 m×1.0 m)、舉架低、無通風設備，舍內外氣體交換不充分、通風不暢，水分即使揮發仍會存留在舍內，因此該舍日平均濕度最高，每日有15 h濕度在80%以上，要引起高度重視。舍1和舍3縱向跨度大，南北兩側窗戶總面積均約占墻壁總面積40%，舉架相對較高，屋頂南側開天窗，通風順暢，水分揮發之后易被及時帶走分散，舍內各個時間段的相對濕度可能因此明顯低于舍2。此外，舍1屋頂共有4個圓形通氣孔，天窗上方開約15 cm寬通氣縫，且采食通道及臥床上方裝有一定數量的風機，白天舍內溫度超過25 ℃風機開啟，與舍外換氣效果最好，7:00～21:00舍內濕度、日平均濕度均為最低，且相對濕度日變化規律與舍外接近。舍1和舍3每日濕度大于80%時間均在5 h以下，日平均濕度低于80%，符合國家相關標準規定[7]。

因奶牛受環境溫度和濕度綜合效應的影響，可用THI來評價牛舍內溫熱環境狀況。當環境溫度超過25℃或THI超過72就會打破奶牛體內熱平衡，引起奶牛熱應激[8]。本研究中試驗牛舍位于河北省北部寒區，冬季寒冷，夏季高溫天氣持續時間短，長期以來該地區奶牛養殖場多考慮冬季牛舍防寒保溫，對夏季防暑的問題沒有引起足夠的重視。本研究發現，試驗期內，各舍外THI約7:00～19:00在72以上，奶牛如長期處于舍外運動場可能遭受熱應激。舍2的日平均THI和9:00～19:00期間THI均大于72，奶牛在舍內同樣可能遭受熱應激；舍1、舍3的日平均THI雖低于72，但分別在11:00～16:00、11:00～18:00期間奶牛仍處于熱應激狀態，該地區奶牛舍夏季采取相應的防暑措施十分必要，應當給予重視。

3.2 試驗舍內外環境質量狀況評價

風速對降低熱應激對奶牛的影響至關重要。增加牛舍風速可加大奶牛體表對流及蒸發散熱量，降低奶牛的體感溫度，調節奶牛體內平衡，緩解奶牛熱應激[9]。有研究表明，夏季過牛體風速值范圍在1～2 m/s之間可滿足降溫要求，當舍內溫度過高且空氣停滯時，奶牛福利會遭到威脅[10-11]。本研究中，舍1風速在1 m/s以上，可基本滿足奶牛需求，但舍2和舍3風速相對較低，不利于奶牛健康。

空氣中可吸入顆粒物PM10、PM2.5、有毒有害氣體NH3、CO2和細菌含量都是評價牛舍空氣質量狀況的重要指標。過量PM10、PM2.5、NH3、CO2通過呼吸道等途徑進入奶牛體內、空氣中細菌含量的增加等均可影響奶牛健康和生產性能，增加奶牛患病風險[12-13]。本研究中，各牛舍內PM2.5、PM10、NH3、CO2濃度均符合畜禽場的環境質量標準[7]，并未達到有害水平，可滿足奶牛健康生產需要。舍2和舍3細菌含量相對較高，對奶牛和飼養員健康存在潛在威脅，應當引起注意。

本研究還發現，雖然3個試驗牛舍環境狀況均能滿足奶牛生產需要，但各舍空氣質量受牛舍通風情況影響顯著，可能與牛舍建筑結構和通風設備有直接關系。各舍奶牛飼養密度和管理情況相近，舍1縱向跨度較大、舉架最高，且有天窗、通氣孔、通氣縫、門斗、風機等通風結構及設備，有效通風面積占建筑面積比例最高，舍內風速最高，通風效果明顯，舍內空氣中PM10、PM2.5、細菌、NH3、CO2含量相對較低或最低，因而空氣質量最優。舍2舉架最低，縱跨最小，有效通風面積占比最低，開放程度最低，且無通風設備，有害氣體在舍內存在一定的滯留，可吸入顆粒物和氣載細菌在舍內聚集，換氣效果及空氣質量最差。舍3舉架高度、通風面積占比居中，但無通風設施設備，通風效果和空氣質量居中。

3.3 試驗舍內外光照與噪音

李云甫等[14]研究證明，人工增加光照使產奶期奶牛每天的光照時間達到 15 h，可提高奶牛產奶量約8%～10%，增加粗飼料采食量約10%～16%。葛旭升等[15]認為，光照強度需160 lx方能滿足泌乳牛需求，在200 lx以上可提升奶牛生產性能。本研究發現，各舍內白天自然光照強度均在500 lx以上，可滿足奶牛的生產需要。本研究中，舍2窗地面積比明顯低于舍1和舍2，但該舍自然光照強度最高，采光效果最佳，可能與其南側屋頂加設透明采光帶，舍內有效采光面積明顯增加有關，且安裝透明采光帶并未明顯提高夏季舍內溫度。因此，牛舍屋頂向陽面如能合理設置采光帶可明顯增強舍內采光。

試驗牛舍夜間人工光照強度均低于50 lx，未達到光照最低標準要求[7]，需要加強夜間照明，并確保舍內照度均勻。要特別注意的是，泌乳牛光照管理15～18 h，黑暗管理6～9 h才能充分發揮生產性能[15]，在制定擠奶班次和時間及制定補光措施時需要給予考慮。本研究中牛舍內外噪音均未超過國家現行標準[7]中牛舍內噪音不超過75 dB的規定，但是舍1由于風機開啟的影響，噪音較高，應該合理選擇和安裝機械設備，盡量避免噪音過大對奶牛健康產生不利影響。

4 結論

冀北寒區奶牛舍夏季舍內溫熱環境及環境質量受牛舍建筑結構、建筑材料、設施設備等因素影響。該地區奶牛舍設計和改造時，應對夏季舍內通風、降溫、采光、噪音等問題引起足夠的重視。只有合理選擇牛舍結構、牛舍高度、窗戶比例、屋頂隔熱材料、通風降溫方式等，夏季舍內通風降溫效果才能得以保障。該地區牛舍可采取高舉架、大縱跨的有窗結構，同時增加天窗、屋頂排風系統、檐下通風孔、門斗、通氣縫、風機等通風結構和設備加強通風，改善舍內空氣質量；屋頂材料選擇酚醛泡沫板保溫隔熱效果更好；為有效降低舍內溫度，可根據實際情況安裝空調、噴淋和風機，配合使用；合理安裝屋頂透明采光帶以增強夏季采光；合理選擇機械設備，降低舍內噪音。